Karbon
Karbon, son derece ilginç ve yaşam açısından büyük öneme sahip olan bir elementtir. Kimyasal simgesi C, atom numarası 6, atom ağırlığı 12,011 olan bu element, doğada hem yalın halde, hem de başka elementlerle yaptığı bileşiklerin içinde bulunur. Yalın element halinde karbon, elmas, grafit, is, kömür gibi çok çeşitli maddede bulunur; öte yandan bitki ya da hayvan, bütün canlı maddeler karbon bileşiklerinden oluşur. Dünyadaki bütün hammadde kütlesinin yaklaşık 500’de l ’ini yalın ya da bileşik haldeki karbon oluşturur. Dünya’nın dışındaki öteki gezegenlerde de karbon bulunur. Bilim adamları, Halley kuyrukluyıldızının çekirdeğinin (merkezdeki ana gövdesinin) karbondan oluştuğunu belirlemişlerdir.
Yalın element halindeki karbon, o kadar değişik biçimlerde bulunur ki, bunların hepsinin aynı element olduğunu anlamak çok güçtür. Elmas, grafit, odunkömürü ve is karbonun değişik biçimleridir. Kömür, antrasit ve turbanın en az yüzde 90’ı da katışıksız karbondan oluşur.
Elmas, Güney Afrika, Brezilya, Hindistan, Rusya ve Tanzanya’daki elmas yataklarında yuvarlak, sarı renkli çakıllar halinde bulunur. Elmas, bilinen en sert maddelerden biridir ve bu özelliğinden ötürü de sanayide torna, freze gibi metal işleme tezgâhlarında kesici takım olarak, sondaj kuyularının açılmasında kaya delici matkap ucu olarak ve camcılar tarafından cam bıçağı olarak kullanılır. Sanayi elması denen bu kesici takımlar, karbonun çok yüksek bir basınç altında ve çok yüksek sıcaklıklarda işlenmesiyle üretilir.
Grafit, çok daha değişiktir. Yumuşak, yağlı, kâğıtta iz bırakan, siyah renkli bir katı maddedir. Grafit, yağ haline getirilip makinelerde, çalışan parçaların birbirine sürtünürken aşınmasını azaltmak ya da engellemek amacıyla yağlayıcı olarak kullanılır. Kurşunkalemlerin içindeki uç da, içine kil katılarak biraz sertleştirilmiş grafittir. Grafitin elde edildiği başlıca yerler Sri Lanka, Sibirya, Kuzey Amerika ve Meksika’dır. Grafit yapay olarak da hazırlanabilir; bunun için kokkömürünün çok yüksek sıcaklıklarda işlenmesi gerekir. Grafit çok yüksek sıcaklıklara dayanabilir, ayrıca çok iyi bir elektrik iletkenidir. Bu nedenle, çamaşır makinesi, elektrikli süpürge gibi aygıtlardaki elektrik motorlarının fırçaları grafitten yapılır. Son dönemlerde, uzay kapsüllerinin ısı kalkanlarının yapımında da grafitten yararlanılmaya başlanmıştır.
Hem elmas, hem de grafit kristal yapılıdır, ama kristalleri farklı biçimlerdedir. Aynı maddenin değişik kristal biçimlerine
alotrop denir; alotrop sözcüğü “değişik biçim” anlamında Yunanca iki sözcükten gelir. Elmas ve grafit, karbonun alotroplarıdır. Elmasta her karbon atomu, dört başka karbon atomuna bağlanarak üç boyutlu katı bir yapı oluşturur; grafitte ise karbon atomları, üst üste yığılmış geniş, yassı levhalar oluşturacak biçimde, iki boyutlu düzlemde birbirlerine bağlanmıştır. Bu levhalar birbirlerinin üzerinden kolayca kayar; grafitin iyi bir yağlayıcı olma özelliği de bundan kaynaklanır. Grafitin kâğıt üzerinde iz bırakmasının nedeni de, bu ince atom levhalarının grafitten ayrılarak kâğıdın üzerinde birikmesidir. Karbonun öteki biçimlerinin, belirgin, kendilerine özgü bir yapısı ya da biçimi yoktur.
Odunkömürü hafif, gözenekli, siyah ya da koyu gri renkli bir maddedir; odunun havasız ortamda yakılmasıyla elde edilir. Karbonun bir başka alotropu olan odunkömürüne ilişkin ayrıntılı bilgi KÖMÜR maddesinde verilmiştir.
Karbon karası ise gazyağı, terebentin, benzen ya da mum gibi maddelerin havası az ortamlarda yandıklarında çıkardıkları istir. Karbon karası katışıksız, yumuşak, siyah renkli bir tozdur; yağla karıştırılarak matbaa mürekkebi, boya ve ayakkabı cilası yapımında kullanılır. Ayrıca otomobil ve bisiklet lastiklerinin yapımında, lastikleri aşınmaya karşı daha dayanıklı kılmak amacıyla karbon karasından yararlanılır.
Odunkömürünün katışkılı bir türü de, yalnızca yüzde 10 oranında karbon içeren kemik kömürüdür. Kemik kömürü, hayvan kemiklerinin iyice kırılıp havasız ortamda yakılmasıyla elde edilir. Kemik kömürü herhangi bir sıvıyla birlikte ısıtıldığında, sıvının rengini yok eder, bu nedenle sanayide renk giderici olarak kullanılır. Örneğin, şeker bu yolla arıtılır. Çay kemik kömürüyle kaynatıldığında tamamen renksiz hale gelir.
Kokkömürü, kömürün havasız ortamda, yüksek sıcaklıklarda yakılmasıyla elde edilir. Kokkömüründeki karbon oranı yaklaşık yüzde 90’dır. Karbon gerek kömür, antrasit ve kokkömürü olarak, gerek bileşik halde bulunduğu ağaç ve petrol olarak çok önemli bir yakıttır. Karbon ve oksijen elementleri birbirleriyle çok kolay birleşir. Çinko, demir, kalay ya da kurşun oksitleri gibi metal oksitleri karbon ile birlikte ısıtıldığında, karbon metal oksitteki oksijenle birleşir ve geriye katışıksız metal kalır. Bu indirgenme tepkimesinden sanayide yararlanılır.
Karbon Bileşikleri
Doğada en bol bulunan karbon bileşikleri, karbon dioksit, tebeşir (kalsiyum karbonat) gibi metal karbonatları ve karbonun hidrojenle birleşerek oluşturduğu hidrokarbonlardır.
Karbon, başka herhangi bir elementten daha çok bileşik oluşturur. Karbon bileşiklerini inceleyen bilim dalına organik kimya denir; çünkü eskiden, karbon bileşiklerinin yalnızca canlılarca oluşturulabileceğine inanılırdı. Bugün 1 milyonun üstünde karbon bileşiği bilinmektedir; bu sayı, öteki bütün elementlerin oluşturduğu bileşiklerin toplamından daha büyüktür. Bu kadar çok karbon bileşiğinin olmasının nedeni, bir karbon atomunun bir başka karbon atomuyla kolayca birleşerek, uzun ve kararlı bir yapıya sahip zincirler ve halkalar oluşturabilmesidir. Bu zincir ve halkalar neredeyse sonsuza kadar uzanabilir ve bunlara yalnızca birkaç başka elementin eklenmesiyle sonsuz sayıda bileşik elde edilebilir. Kimyacılar, laboratuvarlarda ve fabrikalarda, doğal karbon bileşiklerinin pek çoğunu elde edebilmiş ve ayrıca doğada bulunmayan pek çok başka karbon bileşiği hazırlamışlardır. Dezenfektan, boyarmadde, patlayıcı, yakıt, ilaç, anestezik, parfüm ve plastik gibi pek çok yararlı madde, başka elementlerin de katılmasıyla büyük karbon yapılarının elde edilmesi yoluyla üretilir.
En basit hidrokarbon, “bataklık gazı” da denilen metan gazıdır; bu maddenin temel yapısı, ortadaki bir karbon atomunu çevreleyen dört hidrojen atomundan oluşur. Sibirya’da ya da Kuzey Denizi’nde yeraltından çıkarılan doğal gazın başlıca bileşiği metan gazıdır. Metanın kimyasal formülü CH4 biçimindedir. Eğer dört karbon atomu birbirine bağlanırsa bütan gazı oluşur. Bütanın kimyasal formülü de C4Hıo’dur. Mutfaklarda kullanılan tüpgaz, bütan gazıdır. Metandaki hidrojen atomlarının yerine klor atomları geçirilirse, bir zamanlar önemli bir anestezik olan kloroform bileşikleri ve değerli bir kimyasal çözücü olan karbon tetraklorür oluşur. Metan molekülüne bir oksijen atomu bağlanırsa, ortaya bir tür alkol çıkar.
Karbon ile oksijenin oluşturduğu iki basit bileşik vardır: Karbon dioksit (CO2 ) ve karbon monoksit (CO). Her ikisi de gaz halindedir; ilki havada bulunur, İkincisi ise son derece zehirlidir. Bu iki gaza ilişkin ayrıntılı bilgi KARBON DİOKSİT VE KARBON MONOKSİT maddelerinde verilmiştir.
Dünyanın pek çok yerindeki petrol yataklarından çıkarılan ham petrol, rafinerilerde işlenerek, değişik uzunluklardaki karbon zincirlerinden oluşan maddeler elde edilir; bu maddelere petrol türevleri denir. Ağır, kalın ya da ince bütün yağlar hidrokarbondur.
Karbon atomlarının hidrojenle doyurulmamış, yani tümüyle doldurulmamış olduğu hidrokarbon dizileri de vardır. Bu dizilerden birinde karbon atomları birbirine çift bağla bağlanmıştır; bu tür hidrokarbonların en basit örneği etilen’dir. Üç bağlı karbon atomlarım içeren doymamış hidrokarbonlar dizisinin ilk üyesi de asetilen gazıdır.
Kömürün damıtılmasıyla elde edilen kalın, siyah renkli bir sıvı olan kömür katranından da önemli bir hidrokarbon dizisi oluşturulur. Bu dizinin ilk ve en basit üyesi benzen’dir. Benzen, bir halka biçiminde birbirine bağlanmış altı karbon atomu içerir. Bu dizide bulunan pek çok hidrokarbon, bitkilerden salınanlara benzeyen kokular yaydıklarından aromatik hidrokarbonlar olarak adlandırılır. Parfümler, en az bir benzen halkası içerir. Güvelere karşı kullanılan naftalin birbiriyle birleşmiş iki halkadan oluşur.
